KISTI 산업정보분석실 유선희 (Tel: 02-3299-6054  e-mail: sunny@kisti.re.kr)

응용이 기대되는 나노복합소재
나노소재는 나노미터 크기에서 기존 재료를 제어·조합하거나, 새로운 구조의 물질을 합성·조합함으로써 물성이 현저히 향상되거나, 새로운 물성과 기능이 발현되는 소재로서 6T 산업 전반에 걸쳐 활용이 가능하다. 이러한 나노소재는 나노원료소재, 나노가공소재 및 나노복합소재로 나뉠 수 있다.

나노원료소재는 나노분말, 나노선, 판상 나노소재, 나노기공체, 탄소나노소재 등과 같이 나노소재를 구성하는 가장 기본적인 형태로 단독으로 쓰이거나 다른 형태의 나노소재를 제조하는 데 필요한 바탕이 되는 기반 소재를 의미한다. 나노가공소재는 나노분산체, 나노코팅체, 나노복합섬유, 나노응집체 등과 같이 나노원료소재 또는 계층구조 나노소재로 혁신적 물성이나 신규 물성을 발현시키거나 개선시켜 환경, 건강, 물, 식량 산업용, 구조 기능용, IT 산업용, ET 산업용, 에너지 산업용 등으로 활용하게 하는 응용소재를 말한다. 또한 나노복합소재는 벌크형 나노복합체, 나노기공체, 나노구조막소재, 나노다층소재, 나노직물 등과 같이 나노원료소재 간 또는 나노소재와 기존 소재들 간의 복합화(하이브리드화)를 위해 이종 물질 간 인터페이스 설계 및 제어, 다차원 구조화 및 복합화 공정기술 등을 통해, 복합 성능․한계 성능을 구현시킨 하이브리드 소재를 의미한다.

에너지 효율화, 환경대응, 안정성 및 편의성 증가, 기존 산업의 고도화 및 융합화 등에 따라 미래 사회 변화가 나타나고 있으며, 그에 따른 맞춤형 기능을 보유한 소재에 대한 요구도 급격히 증가하고 있다.

기존의 복합소재는 이를 구성하는 요소소재의 특성의 조합을 통해 상호보완 되도록 첨가되는 수준에 머무르고 있지만, 점차 원자/분자 수준의 복합화를 통한 새로운 극한 기능성이 필요하게 되었다. 따라서 단순 상호보완 수준이 아닌, 기존 개별소재보다 우수한 기능성을 가지며, 신기능성의 창출이 가능한 방향으로 나노복합소재 기술이 발전되어 갈 것으로 예상된다.

나노복합소재는 일반적으로 기지(고분자, 금속, 세라믹 등) 재료에 나노 크기(10㎚~100㎚)의 이종 소재를 혼입시켜 기존의 복합소재의 특성을 강화한 나노필러 복합소재가 대표적이고, 그 외에 다양한 소재들의 형태를 제어하여 원하는 구조를 만들거나 표면에 막을 형성하는 나노복합소재 및 원자·분자 단위(0.1㎚~수㎚) 영역에서 구조를 제어하여 완전히 차별화된 신소재 나노복합소재 등이 있다.

나노입자의 첨가로 인해 기계적 강도, 인성, 내마모성 및 전기-열 전도성 등과 같은 특성뿐만 아니라 기체 차단성, 차폐성과 난연성 등도 현저히 개선될 수 있는데, 일반적으로 나노입자가 단지 0.5~5.0% 중량비만 첨가해도 유효한 특성이 발현되게 된다. 기존의 마이크로 크기 복합체에 비해 월등히 우수한 특성을 가지면서도, 단순하고 저비용의 기술을 활용하여 소재 합성이 가능하다는 장점이 있다.

이러한 우수한 물성을 바탕으로 한 나노복합소재는 자동차, 전자 및 에너지 등의 고기능성 복합재료를 요하는 산업 분야에서 응용이 기대되는 신소재로서 주목받고 있다.

최근 많은 주목을 받고 있는 나노복합소재
나노복합소재는 <그림 1>에서와 같이 기지 소재에 따라 고분자, 세라믹 및 금속 기지 나노복합소재로 나뉠 수 있다. 이 중에서도 고분자 기지 나노복합소재가 가장 일반적이며, 첨가되는 충전제(필러)에 따라 나노탄소소재 필러, 나노무기소재 필러, 나노금속소재 필러 등으로 나뉠 수 있으며, 나노탄소소재 필러가 가장 널리 사용되고 있다.

나노복합소재는 1980년대 Toyota에서 최초의 나노클레이 복합소재 자동차 부품을 도입한 이후로 상업용으로 사용되어 왔다. 최근 나노미터 크기의 물질을 특성화, 생산 및 조작하는 능력의 발전으로 새로운 종류의 나노복합소재에서 필러로서의 사용이 늘고 있다.

나노기술 발전에 따라 복합소재의 성능이 획기적으로 개선되고, 단일 소재 또는 기존의 복합 소재에서는 불가능했던 성능 제시도 가능해짐에 따라 최근 많은 주목을 받고 있다.

대표적인 나노복합소재의 동향
□ 나노클레이 복합소재
나노클레이는 점토 광물 성분으로 구성된 대표적인 무기 충전재(filler)이다. 유기물질과 다르게 무기물질은 나노 크기 수준에서 안정한 상태를 갖기 어렵다. 그러나 나노클레이는 안정한 층상 실리케이트(layered silicate) 나노 구조를 갖고 가공성이 용이해서 1980년대 후반부터 많은 주목을 받아왔는데, 기존 제품 이상으로 강하면서도 가벼운 소재였기 때문이다. 최초의 상용화는 일본 도요타(Toyota) 자동차의 중앙연구소에서 경량화를 목적으로 한 개발이었다. 도요타는 우베(Ube Industries)와 공동으로 폴리머 소재에 나노클레이 입자들을 결합하여 기계적 강도와 내열성 등이 우수한 복합소재를 개발했다. 특이한 점 중 하나는 자동차 소재로 적용시키기 위해 수요 기업이 직접 개발했다는 점이다.

□ 탄소나노튜브(CNT; carbon nano tube) 복합소재
CNT 복합소재는 CNT를 금속 또는 고분자 소재에 코팅 또는 충전하여 복합화한 소재이다. 나노소재 중 대표적인 CNT는 20여 년 전에 발견된 이후 전기전도도가 구리의 1000배 정도로 높고, 강도도 강철의 100배 정도로 뛰어남으로 인해, CNT 복합소재는 전기/전자제품, 자동차 분야 등의 고성능화, 경량화, 소형화를 구현하는 용도로 사용되고 있다. 구체적인 응용분야로 가벼우면서도 높은 강도 특성을 갖는 구조소재, 기존 디스플레이용 투명 소재를 대체하는 투명전도성 필름, 제품에서 발생하는 열을 효율적으로 분산시키기 위한 방열소재 등을 들 수 있다. 예를 들어, CNT 소재 업체인 미국 하이페리온(Hyperion)은 독일 바스프(BASF), 에보닉(Evonik) 등 화학 소재 업체에 CNT를 공급, 자동차 부품 및 일부 차체용 소재로 적용시키고 있다. 스포츠 용품에 있어서도 독일 바이엘(Byer)은 CNT를 이용한 아이스하키 스틱과 야구배트, 스키 및 테니스 라켓 등을 선보였는데, 이미 이들 제품은 독일과 핀란드 등 유럽지역에서 사용되고 있다. 또한 CNT 나노소재를 적용한 골프채의 경우는 기존 소재보다 10배 이상의 강도를 가지며 비거리 또한 월등한 것으로 분석되고 있다.

세계 시장규모가 확대될 것으로 전망됨에 따라 CNT 자체의 제조에 주력하던 기업들이 화학업체들과 제휴를 하거나 또는 직접 복합소재 영역에 진입하고 있다.

□ 그래핀 나노복합소재
CNT, 탄소섬유, 그래핀(graphene) 등의 탄소계 충전제를 고분자 수지에 충전시켜 고기능성 고분자 나노복합소재를 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행 중이며, 이중 최근에 가장 주목받고 있는 충전제가 그래핀이다. 그래핀은 탄소원자로 이루어진 탄소 동소체 중 하나로, 일반적으로 그래핀은 탄소의 2차원 단일시트(two-dimensional single sheet)를 일컫는다. 그래핀은 종래의 다른 나노 첨가제(Na-MMT, LDH, CNT, CNF, EG 등)와 비교하여 넓은 표면적을 가지며 기계적 강도, 열적 그리고 전기적 특성이 매우 우수하고, 유연성과 투명성을 가진다는 장점을 가진다.

그래핀의 전기전도성을 활용한 대전방지 특성으로 인해 반도체 칩 트레이, 웨이퍼 용기, 정전기 분사영역(static dissipative) 등으로의 응용이 주목된다. 또한 자동차 펜더나 범퍼용도로, EMI/RFI 차폐영역(EMI/RFI shielding) 등의 다양한 용도로 활용될 수 있다. 또 다른 그래핀의 응용분야는 에너지저장 매체분야로, 우수한 전기전도성 및 높은 비표면적으로 인해 슈퍼캐퍼시터 물질로의 응용이 주목받고 있다.

또한 그래핀은 2차원의 판상구조를 가지기 때문에 고분자에 분산시켜 복합재료를 제조할 경우 분산된 그래핀이 기체가 투과하는 것을 막는 장벽 역할을 함으로써 기체 투과도를 급격하게 감소시키기 때문에 식품포장재 또는 산화반응이 일어나는 것을 막기 위한 전자제품 필름 포장재 등 기체 차단성을 요하는 분야의 필름 포장재로의 응용도 기대되고 있다.

에폭시에 그래핀을 패터닝하여 제작한 마이크로 엑츄에이터는 그래핀의 우수한 전기적 특성과 굽힘 특성 때문에 저전압 하에서도 우수한 구동특성을 보여주고, 제조가 용이해 근육이나, 또는 여러 가지 생체모방 응용소자로서의 활용이 주목되고 있다. 향후 그래핀 기반 고분자 복합재료는 전자산업분야, 에너지 분야, 자동차/우주항공 산업분야 등의 영역에서 활발한 연구가 진행될 것으로 보이며 이로 인한 상업화가 기대된다.

2019년까지 자동차 부품은 40.6%, 전자 제품은 8%로 점유율이 낮아질 것으로 추정된다. 반면에 포장재 분야는 약간 증가하고, 기타에 포함된 섬유 부문이 큰 폭으로 증가하여 2019년에는 나노복합소재의 4번째로 큰 응용 분야가 될 것으로 예상된다.

이와 같이 나노복합소재는 나노소재 분야 중에서도 가장 빠르게 시장에서 제품화할 가능성이 높고, 그 성장률도 고분자 기지 나노복합소재를 중심으로 크게 높아 관련 업계의 관심이 기대되고 있다.